CN102173695A - 高含水率疏浚淤泥复合固化材料新型添加剂 - Google Patents

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洪振舜
邓永锋
丁建文
卞夏
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Abstract

目前河道淤泥一般采用绞吸式疏竣，此时土体初始含水率极高，一般为液限的2~10倍，按照目前常用的固化技术，即只在淤泥中掺入生石灰和水泥，此时固化土的强度很难达到设计要求，或者掺量非常大，造价高昂。针对此现象，本发明提出了在高含水率的疏竣淤泥中掺入水泥、生石灰和聚丙烯酸钠组成的复合添加剂，以达到解决问题的目的。该复合添加剂能够解决高含水率疏浚淤泥快速固化处置的问题，并且能够使土体强度显著提高，按固化淤泥重量百分比计算，水泥 3~7%；生石灰 7~15%；聚丙烯酸钠 0.05%~0.1%。

Description

高含水率疏浚淤泥复合固化材料新型添加剂
技术领域
本发明涉及一种对水利、港口航道工程建设中产生的高含水率淤泥进行固化处理所使用的添加剂，该添加剂能够大量并且快速减小疏浚淤泥的含水率，大幅度提高早期强度和固化强度，适用于高含水率疏浚淤泥快速固化技术，属于水利和港口航道工程的技术领域。
背景技术
在我国的河道、航道疏浚和拓宽以及港口新建、扩建工程中会产生大量的淤泥，这些淤泥含水率高、粘粒含量高、压缩性高、强度低，难以被工程直接利用。一般情况下疏浚淤泥主要有两种处理方式：一种是吹填技术，使用吹填处理的最大问题就是吹填用地问题，同时吹填施工往往容易出现泥水向围堰外部扩散引起二次污染的问题。另一种就是抛泥的方法，其中以海抛量最大，这种倾倒行为严重危害了海洋生物生存环境，造成了海洋环境不可弥补的损失，同时严重影响了海洋资源的有效开发利用。而目前在大多数工程建设中，例如港口建设、海洋工程中都希望将疏竣淤泥进行资源化利用。本发明结合港口工程可持续发展和环境保护的需要，将淤泥通过快速固化的方法转化为港口再生资源进行利用。
目前常用的疏浚淤泥改性主要是淤泥固化，在疏浚泥中添加水泥、生石灰等固化材料，进行搅拌混合，通过孔隙水与固化材料发生水合反应使孔隙内的自由水变为结合水，另一方面加强了土粒子之间的结合力，提高了疏浚泥的强度。目前关于疏竣淤泥固化的改性剂已有较多的研究，主要仍为水泥、生石灰以及粉煤灰等无机材料，材料多样且复杂，主要针对低含水率土样进行处理。从目前已有的报道分析，当含水率大于1.0倍液限或更高时，采用上述材料和或添加剂很难使疏竣淤泥达到设计强度（如堤坝和路堤一般要求大于1.0MPa）或者需要的添加量非常大，以至于工程造价非常高，从而限制其在工程中推广应用。本发明在传统的水泥系固化材料中添加了一种新型添加剂聚丙烯酸钠，该添加剂可以大大提高水泥的固化效果，从而节省工程造价，将疏浚淤泥固化技术处理的土源含水率提高到2.0倍液限值甚至更高。
发明内容
本发明目的针对传统疏竣淤泥固化中疏竣淤泥含水率高，达到设计强度时，水泥、石灰等固化剂掺量大，造价高这一特性，提出了在水泥和生石灰构成的固化剂体系中掺入聚丙烯酸钠，掺入后可以大大提高固化土的强度、减小水泥和生石灰用量，极大程度减小工程造价。
技术方案：本发明利用水泥水化和水解反应的水化物的胶结作用，生石灰与土之间产生的吸水、碳酸化作用、胶凝作用和结晶作用，以及聚丙烯酸钠能很快的吸收淤泥中的水分，且一直处于保水状态，存在于水泥土、石灰土形成的空间骨架之中，因此可以在高含水率的淤泥中参加一定比例的水泥、生石灰和聚丙烯酸钠而很快达到所需要的强度要求，从而减少工期和工程造价。本发明的材料化反应方程式（1）~（7）所示。
2（3CaO·SiO2）+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O（水化硅酸钙）+3Ca(OH)2； （1）
2（2CaO·SiO2）+4H2O=3CaO·2SiO2·3H2O（水化硅酸钙）+Ca(OH)2；  （2）
3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O（水化铝酸三钙）；             （3）
4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O（水化铁酸钙）；     （4）
3CaSO4+3CaO·Al2O3+32H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O（钙钒石）    （5）
Ca(OH)2 + CO2→CaCO3 + H2O                                    （6）
Ca(OH)2+nH2O →Ca(OH)2·nH2O                                   （7）
反应原理说明：生石灰与土的碳酸化过程中生成的CaCO3是坚硬的结晶体,具有较高的强度和水稳性，由于CaCO3对土的胶结作用使土体得到加固，粘性土中的硅胶、铝胶将与生石灰进一步反应形成含水硅酸钙(CaSiO3·nH2O )、铝酸钙，这种凝胶物质具有水硬性，能够在固体与水二相环境下发生硬化，在土的团粒外围形成一层稳定的保护膜，具有很强的粘结力，把土团粒胶结起来，形成网状结构，并且Ca(OH)2·nH2O晶体同样也会把土粒胶结成整体, 结晶的Ca(OH)2溶解度更小，进一步提高了改良土的水稳性。
水泥与土发生反应，它不仅有水泥本身的水化物的胶结作用，而且有水泥水化时产生的Ca(OH)2与土中活性物质之间的硬凝反应所产生的水化物的胶结作用，使土颗粒周围充满水化硅酸钙（简称CSH）凝胶物和钙钒石针状晶体以及Ca(OH)2和其他水化物结晶体，并交织在一起，形成空间网络结构，即一种特殊的土骨架结构。
聚丙烯酸钠能很快的吸收淤泥中的水分，吸水后的聚丙烯酸钠体积膨胀数倍乃至数十倍，且一直处于保水状态，存在于水泥土、石灰土形成的空间骨架之中，形成稳定状态，因此可以在高含水率的淤泥中参加一定比例的水泥、生石灰和聚丙烯酸钠而很快达到所需要的强度要求。
本发明是在淤泥中按一定比例加入聚丙烯酸钠搅拌，让聚丙烯酸钠充分吸水，然后加入一定配比的生石灰、水泥混合体，均匀搅拌形成空间骨架，同时利用水化物对淤泥以及聚丙烯酸钠的稳定和封闭作用，快速提高强度要求，所述的复合添加材料（水泥、生石灰、聚丙烯酸钠），按淤泥重量百分比：
水泥                3~7% ，
生石灰               7~15% ，
聚丙烯酸钠           0.05%~0.1% 。
有益效果：
（1）复合材料种类少：在水泥和生石灰材料基础上，只添加一种高分子添加剂就能达到处理效果，原理简单，操作便易；
（2）处理成本大幅度降低：较传统的固化处理措施本方法可大大减少固化材料的用量，从而降低处理成本；
（3）处理效果：处理土的含水率为液限的2.0倍时（一般的水泥系固化材料针对1.0倍液限以下的含水率），水泥含量仅为7%，早期强度迅速提高，达到0.5MPa以上， 28天强度即可达到堤坝和路堤的一般要求（大于1.0MPa），即可以快速固化高含水率淤泥并达到所要求的强度，施工易控制，效果较优，对缩短工期具有重要的现实意义；稍微增加新型添加剂便可处理含水率更高的淤泥或软土；
（4）资源再生利用：利用本发明，将废弃的淤泥处理为工程性质良好的土工材料，产生了再生资源；
（5）应用范围广：本发明可广泛用于填海工程，道路工程和港口工程，并可根据不同的工程要求调整添加量，可以满足各种工程的要求。
具体实施方式
实施例1：本发明各组分按以下重量百分比
水泥                7%
生石灰               11%
聚丙烯酸钠           0.1%
按照本配比，在每立方米淤泥（初始含水率为2.0倍液限）中加入1.31 kg的聚丙烯酸钠，固化淤泥的7天无侧限抗压强度可达到500 kPa，28天无侧限抗压强度可达到1000 kPa，可以满足快速固化的需要。而使用水泥和生石灰两种材料，同样的掺入比，7天强度仅为100 kPa，而28天的强度仅为 200kPa，欲达到相同的固化效果则水泥、生石灰用量则大大增加，经济造价大大提高。
实施例2：本发明各组分按以下重量百分比
水泥                7%
生石灰               15%
聚丙烯酸钠           0.1%
按照本配比，在每立方米淤泥（初始含水率为2.0倍液限）中加入总量为91.7 kg的水泥，固化淤泥7天无侧限抗压强度可达到640 kPa，28天无侧限抗压强度可达到1200 kPa，可以满足快速固化需要。
实施例3：本发明各组分按以下重量百分比
水泥                3%
生石灰               7%
聚丙烯酸钠           0.05%
按照本配比，在每立方米淤泥（初始含水率为2.0倍液限）中加入总量为39.3 kg的水泥，固化淤泥7天无侧限抗压强度可达到105 kPa，28天无侧限抗压强度可达到380 kPa，可以满足快速固化需要。
实施例4：本发明各组分按以下重量百分比
水泥                5%
生石灰               11%
聚丙烯酸钠           0.05%
按照本配比，在每立方米淤泥（初始含水率为2.0倍液限）中加入总量为65.5kg的水泥，固化淤泥7天无侧限抗压强度可达到220 kPa，28天无侧限抗压强度可达到540 kPa，可以满足快速固化需要。

Claims (4)

1.一种高含水率疏浚淤泥复合固化材料新型添加剂，其特征在于按固化淤泥重量百分比计算，
水泥                3~7%，
生石灰               7~15%，
聚丙烯酸钠           0.05%~0.1%。
2.根据权利要求1所述的高含水率疏浚淤泥复合固化材料新型添加剂，其特征在于所述的水泥为普通硅酸盐水泥 P.O.42.5 。
3. 根据权利要求1所述的高含水率疏浚淤泥复合固化材料新型添加剂，其特征在于所述的生石灰为干燥、无杂质粉末状普通CaO 。               
4. 根据权利要求1所述的高含水率疏浚淤泥复合固化材料新型添加剂，其特征在于所述的聚丙烯酸钠为高性能吸水树脂，吸水比例 1:500。
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